Python中的元编程

Posted 2021-09-07 小杰666

元编程

什么是元编程？

用代码来生成代码，或者说，用程序来生成程序，就叫元编程。Python能通过反射实现元编程。

什么是元类？

与元编程相关的一个概念是元类。什么是元类呢，具体到Python，用来创建类的类，就叫元类。元类是制造类的工厂。

在Python中，一个普通类创建出来的东西是类的实例，实例是一个对象。而元类也是一种类，它创建出来的东西是另一个普通类，普通类也是一个对象（Python中一切皆对象），然后这个普通类，又可以创建出类的实例。所以说，元类是类的类。它们的构建过程如下图：

Python中：

1、所有非object类都继承自object类（包括type）
2、所有类的类型都是type（包括type、object、元类）
3、type类继承自object（符合第1句）

虽然type也继承自object，但是我们自己写的类，继承自object与继承自type，会有些不同。

type元类

type这个类，不仅可以获取Python中对象的类型，比如type(123)，会告诉你123是int类型（int也是类）。

type也可以作为元类，来构建其他类。语法是：

type(name, bases, dict) -> a new type 返回一个新的类型

其中，name为类的名称，bases为类的继承列表，dict为类的属性字典。比如：

def __init__(self):
    self.x = 123

# 用type创建了一个新的类，变量名NewClass，新类的类名是newclass
NewClass = type('newclass', (object,), {'a':100, 'b':[], '__init__':__init__})
print(NewClass.__dict__)  # 类的属性里会有a, b, __init__

# 等价于如下class关键字创建的类
class newclass(object):
    a = 100
    b = []
    def __init__(self):
        self.x = 456
print(newclass.__dict__)

# 不同之处在于，type创建的newclass的__init__函数在全局作用域里，
# class关键字创建的newclass的__init__函数在类内部，即newclass.__init__

以上例子没有什么神奇。元类的真正用途，是在元类的构造方法（__new__, __init__）里写我们的代码，从而改变一个类的构建行为。

上面用type构建了一个新的类，类在程序中是代码，type(…)调用也是代码。所以，这种用代码来生成代码的过程，就是元编程。

构建自己的元类

如果一个类继承自type（而不是object），它就会成为元类，比如：

# 创建元类，ModelMeta是元类，因为继承自type
# 我们把ModelMeta当作元类模版
class ModelMeta(type):
    
    # 因为继承自type，参数与type元类一样
    # 在__new__中可以改变构建普通类时的行为
    def __new__(cls, name, bases, _dict):
        print(cls)
        print(name)
        print(bases)
        print(_dict)
        
        # 注意这里和普通类调用super不同: return super().__new__(cls)
        return super().__new__(cls, name, bases, _dict)
        # 或者
        #return type.__new__(cls, name, bases, _dict)

# 1、用metaclass关键字参数创建一个元类
# 这里的写法表示A这个类是被元类ModelMeta构建的，而不是继承
# 这种写法是用元类构建一个类A，所以元类里的__new__实例化方法会执行
# 即元类实例化出来的东西是另一个普通类(而不是一个类的实例)
# A是普通类
class A(metaclass=ModelMeta):
    x = 999
    def __init__(self):
        print('A.init')

print('=' * 30)
# 2、继承
# 这里才表示正常的类的继承，
# 但是B的构建路线是：ModelMeta->构建A->继承到B
# B是普通类
class B(A):
    def __init__(self):
        print('B.init')
        
print('=' * 30)
# 3、元类模版也可以使用调用语法，创建新类，就像type那样
# C是普通类
C = ModelMeta('C', (), {'x':999})

print('=' * 30)
# 4、继承元类
# D继承自元类ModelMeta，所以D也是一个元类(这里是继承而不是用元类构建D)
# 因为是继承，元类ModelMeta的__new__不会执行
class D(ModelMeta):
    pass

元类的应用

元编程可用于开发框架。比如ORM（对象关系映射）。将数据库的操作与类（以及实例）的操作联系起来，就可以使用元类。

映射关系：

表 ⟶ class
行 ⟶ 实例
字段 ⟶ 属性（描述器，见 这里）

一个简单的例子：

# 字段类
class Field:
    # 字段名fn，类型tp，是否为主键pk，是否空null
    def __init__(self, fn=None, tp=None, pk=False, null=True):
        self.fn = fn
        self.tp = tp
        self.pk = pk
        self.nl = null
        self.value = None
    
    def __get__(self, instance, owner):
        return self.value

    def __set__(self, instance, value):
        if self.tp:
            self.value = self.tp(value)
    
    def __delete__(self, instance):
        del self.value


# 模版元类
class ModelMeta(type):
    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        #print(cls)
        #print(name)
        #print(bases)
        #print(attrs)
        
        # 添加表名
        if '__tblname__' not in attrs.keys():
            attrs['__tblname__'] = name
            
        primarykeys = []
        for k,v in attrs.items():
            if isinstance(v, Field):
                if v.fn is None:
                    v.fn = k  # 属性名作为字段名
                if v.pk:
                    primarykeys.append(v)
                    v.nl = False  # 有主键自动不为空
                    
        attrs['__primarykeys__'] = primarykeys

        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)


# 基类
class Base(metaclass=ModelMeta):
    def __init__(self, **kwargs):
        for k,v in kwargs.items():
            if k not in self.__class__.__dict__:
                raise AttributeError(f"'{k}' is not a field name")
            setattr(self, k, v)  # 将调用描述器的__set__
            

# 设计学生表
class Student(Base):
    sid = Field(tp=int, pk=True)  # 描述器
    name = Field('username', tp=str, null=False)
    age = Field(tp=int)
    
    def __repr__(self):
        return f"<{self.__class__.__name__} sid={self.sid} name={self.name} age={self.age}>"


# s = Student(sid=1, gender=112)
s = Student(sid=1)
print(s)

print('=' * 30)
s.name = 123
s.age=20
print(s)

print('=' * 30)
print(s.name, s.age, type(s.name))